E. coli с системой обратной связи для контроля роста при производстве белков

Исследователи оснастили бактерии E. coli, "рабочую лошадку" биотехнологий, механизмом обратной связи, чтобы сбалансировать их рост с производством целевых белков.

Такие лекарства, как инсулин и интерферон, производятся с использованием генетически модифицированных бактерий, например, E. coli. Однако дополнительная нагрузка (burden) от производства новых белков замедляет рост бактерий, что снижает общую продуктивность.

В статье, представленной на обложке журнала Nature Methods, специалисты из Имперского колледжа Лондона создали систему обратной связи, позволяющую модифицированным E. coli самостоятельно решать эту проблему. Вторая статья той же команды в Nature Communications описывает новый метод прогнозирования влияния нагрузки на рост E. coli.

Проблема нагрузки

Как объяснил соавтор исследований доктор Том Эллис: «Подобно туристу, которому внезапно пришлось нести тяжелый рюкзак, мы говорим, что клетки испытывают "нагрузку" — при тех же ресурсах они теперь растут медленнее, чем их ненагруженные конкуренты. Это означает, что в чане с сотнями миллионов бактерий наиболее продуктивные клетки оказываются в самом невыгодном положении».

Решение: система обратной связи

Исследователи использовали РНК-секвенирование, чтобы определить, какие гены в бактерии естественным образом меняют активность при нагрузке.

«Наша предыдущая работа показала, как производство дополнительных белков создает давление на E. coli и меняет их поведение. РНК-секвенирование рассказало нам, как они это делают», — сказала первый автор доктор Франческа Черони.

После идентификации участков бактериальной ДНК, ответственных на реакцию на нагрузку, команда создала петлю обратной связи, связав эту ДНК с генами производства целевого белка.

Соавтор доктор Гай-Барт Стэн пояснил: «Как только мы узнали, как бактерии ощущают нагрузку, мы можем связать это "ощущение" с производством белка. Когда клетки обнаруживают слишком высокую нагрузку, они запускают контроллер, который снижает производство белка до уровня, позволяющего клетке хорошо расти».

Бактерии, оснащённые этой системой, изменяли уровень производства белка в зависимости от нагрузки. Поскольку они теперь лучше росли, такие клетки в итоге производили больше белка на партию.

«Мы дали E. coli возможность лучше распределять свои ресурсы во время производства. Это балансирование», — добавила доктор Черони.

Оба метода — система обратной связи и новый метод прогнозирования нагрузки — направлены на улучшение синтетической биологии для быстро делящихся бактерий. В дальнейшем команда планирует сосредоточиться на биоинженерии клеток млекопитающих (для производства антител) и дрожжевых клеток (для производства лекарственных белков).